تقاس الطاقة والشغل بوحدة تسمى ماذا؟ تعريف الجول والواط والنيوتن

تقاس الطاقة والشغل بوحدة تسمى ماذا؟​

تقاس الطاقة والشغل في النظام الدولي للوحدات بوحدة تسمى:

الجول​

ويرمز إلى الجول بالحرف الإنجليزي الكبير:

J​

وتستخدم الوحدة نفسها لقياس صور الطاقة المختلفة، مثل الطاقة الحركية وطاقة الوضع والطاقة الحرارية والطاقة الكهربائية، وكذلك الشغل الميكانيكي.

الإجابة المختصرة:

تقاس الطاقة والشغل بوحدة الجول، ورمزها J.

ويعادل الجول الواحد الشغل الناتج عن تأثير قوة مقدارها نيوتن واحد لتحريك جسم مسافة متر واحد في اتجاه القوة:

1 J = 1 N·m​

ويصنف المكتب الدولي للأوزان والمقاييس الجول بوصفه وحدة النظام الدولي للشغل والطاقة وكمية الحرارة.

ما وحدة قياس الطاقة والشغل؟​

وحدة قياس الطاقة والشغل في النظام الدولي هي:

• اسم الوحدة: الجول.
• الاسم بالإنجليزية: Joule.
• رمز الوحدة: J.
• النظام المستخدم: النظام الدولي للوحدات SI.

ويؤكد المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية أن الجول هو وحدة النظام الدولي المفضلة لقياس الحرارة والطاقة والشغل.

ما تعريف الجول؟​

الجول الواحد هو مقدار الشغل المبذول عندما تحرك قوة مقدارها نيوتن واحد جسمًا مسافة متر واحد في اتجاه تأثير القوة.

ويمكن كتابة ذلك على الصورة التالية:

1 جول = 1 نيوتن × 1 متر​

أو بالرموز:

1 J = 1 N·m​

ويعطي المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية التعريف نفسه: الجول هو الشغل اللازم لتحريك نقطة تأثير قوة مقدارها نيوتن واحد مسافة متر واحد في اتجاه القوة.

ما المقصود بالشغل في الفيزياء؟​

الشغل في الفيزياء هو انتقال للطاقة يحدث عندما تؤثر قوة في جسم وتسبب إزاحته.

في أبسط حالة، عندما تكون القوة في اتجاه الحركة، يحسب الشغل باستخدام العلاقة:

الشغل = القوة × الإزاحة​

وبالرموز:

W = F × d​

حيث:

• W: الشغل، ويقاس بالجول.
• F: القوة، وتقاس بالنيوتن.
• d: الإزاحة، وتقاس بالمتر.

إذا أثرت قوة مقدارها 10 نيوتن وحركت جسمًا مسافة 3 أمتار في اتجاه القوة:

الشغل = 10 × 3 = 30 جولًا​

ما العلاقة العامة لحساب الشغل؟​

إذا لم تكن القوة في اتجاه الحركة نفسه، تستخدم العلاقة:

W = F × d × cos θ​

حيث تمثل θ الزاوية بين اتجاه القوة واتجاه الإزاحة.

• إذا كانت القوة في اتجاه الحركة، تكون الزاوية صفرًا ويكون الشغل موجبًا.
• إذا كانت القوة عكس اتجاه الحركة، يكون الشغل ًا.
• إذا كانت القوة عمودية على الحركة، يكون الشغل الناتج عنها صفرًا.

لماذا تقاس الطاقة والشغل بالوحدة نفسها؟​

لأن الشغل يمثل انتقالًا للطاقة من جسم أو نظام إلى آخر.

فعندما يدفع شخص صندوقًا ويتحرك الصندوق، تنتقل طاقة من الشخص إلى الصندوق على صورة شغل.

وعندما يسقط جسم من مكان مرتفع، تتحول طاقة وضع الجاذبية إلى طاقة حركية.

لذلك تقاس الطاقة والشغل بالوحدة نفسها، وهي الجول.

ما صور الطاقة التي تقاس بالجول؟​

يمكن استخدام الجول لقياس:

• الطاقة الحركية.
• طاقة وضع الجاذبية.
• طاقة وضع النابض.
• الطاقة الحرارية.
• الطاقة الكهربائية.
• الطاقة الكيميائية.
• الطاقة الضوئية أو الإشعاعية.
• الطاقة النووية.
• الشغل الميكانيكي.

وقد تستخدم وحدات أخرى عمليًا عند التعامل مع مقادير كبيرة أو صغيرة، لكنها تمثل طاقة ويمكن تحويلها إلى الجول.

ما وحدة قياس القوة؟​

تقاس القوة بوحدة:

النيوتن N​

ولا تقاس القوة بالجول.

ويمثل نيوتن واحد القوة اللازمة لإكساب كتلة مقدارها كيلوجرام واحد تسارعًا مقداره متر واحد لكل ثانية مربعة:

1 N = 1 kg·m/s²​

وعند ضرب القوة بالنيوتن في الإزاحة بالمتر تكون النتيجة بالجول.

ما الفرق بين الجول والنيوتن؟​

• النيوتن N: وحدة قياس القوة.
• الجول J: وحدة قياس الشغل والطاقة.

مثال:

دفع صندوق بقوة مقدارها 20 نيوتن لا يخبرنا وحده بمقدار الشغل.

إذا لم يتحرك الصندوق، فلا يوجد شغل ميكانيكي على الصندوق رغم وجود القوة.

أما إذا تحرك مترين في اتجاه القوة:

الشغل = 20 × 2 = 40 جولًا​

ما وحدة قياس القدرة؟​

تقاس القدرة بوحدة:

الواط W​

القدرة ليست هي الطاقة، بل معدل إنجاز الشغل أو انتقال الطاقة خلال الزمن.

وتحسب بالعلاقة:

القدرة = الشغل ÷ الزمن​

أو:

P = W ÷ t​

ويعادل الواط الواحد جولًا واحدًا في الثانية:

1 W = 1 J/s​

ويبين النظام الدولي أن الجول يساوي kg·m²·s⁻²، بينما يساوي الواط kg·m²·s⁻³؛ أي إن الواط يمثل معدل الطاقة مع الزمن.

ما الفرق بين الجول والواط؟​

• الجول: مقدار من الطاقة أو الشغل.
• الواط: سرعة استهلاك الطاقة أو إنجاز الشغل.

مثال:

إذا أنجز جهاز شغلًا مقداره 600 جول خلال 10 ثوانٍ:

القدرة = 600 ÷ 10 = 60 واطًا​

هل نيوتن متر يساوي جولًا؟​

نعم، عند الحديث عن الشغل أو الطاقة:

1 N·m = 1 J​

لكن يوجد تفصيل مهم:

يستخدم نيوتن متر أيضًا لقياس عزم القوة، إلا أن عزم القوة لا يسمى جولًا رغم تماثل الأبعاد الرياضية.

لذلك:

• الشغل والطاقة: يكتبان بالجول J.
• عزم القوة: يكتب بالنيوتن متر N·m.

وتنبه إرشادات NIST إلى أن وحدة عزم القوة تكتب نيوتن متر، بينما تستخدم تسمية الجول للطاقة والشغل، رغم التكافؤ البعدي بينهما.

ما الوحدات الأساسية التي يتكون منها الجول؟​

يمكن كتابة الجول باستخدام الوحدات الأساسية للنظام الدولي:

1 J = 1 kg·m²/s²​

أي:

• كيلوجرام واحد.
• متر مربع.
• مقسوم على ثانية مربعة.

ويعرض المكتب الدولي للأوزان والمقاييس العلاقة:

J = kg·m²·s⁻²​

ضمن تعريفات النظام الدولي.

لماذا سميت الوحدة بالجول؟​

سميت وحدة الجول تكريمًا للفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول، الذي قدم إسهامات مهمة في دراسة العلاقة بين الشغل والحرارة والطاقة.

لكن يجب التفريق بين:

• اسم الوحدة عند كتابته كاملًا: جول، ويبدأ عادة بحرف صغير في النص الإنجليزي: joule.
• رمز الوحدة: حرف كبير J، لأن الوحدة سميت على اسم شخص.

هل رمز الجول حرف J مقلوب؟​

لا.

الرمز الصحيح هو حرف J الإنجليزي الكبير بالشكل المعتاد:

J​

لا توجد وحدة تسمى “J مقلوبة”، وربما جاء هذا الوصف نتيجة مشكلة في اتجاه الكتابة بين العربية والإنجليزية.

ما هو النظام الدولي للوحدات؟​

النظام الدولي للوحدات هو النظام القياسي العالمي المستخدم في العلوم والهندسة والقياسات، ويرمز إليه:

SI​

والرمز مأخوذ من الاسم الفرنسي للنظام الدولي للوحدات.

من أمثلة وحداته:

• الطول: المتر m.
• الكتلة: الكيلوجرام kg.
• الزمن: الثانية s.
• شدة التيار الكهربائي: الأمبير A.
• درجة الحرارة الديناميكية الحرارية: الكلفن K.
• كمية المادة: المول mol.
• شدة الإضاءة: الكانديلا cd.

أما الجول والنيوتن والواط فهي وحدات مشتقة من الوحدات الأساسية. وينشر المكتب الدولي للأوزان والمقاييس المرجع الرسمي لتعريف النظام الدولي واستخدام وحداته.

هل الجرام وحدة قياس الوزن؟​

الجرام والكيلوجرام وحدتان لقياس الكتلة، لا الوزن في التعريف الفيزيائي الدقيق.

• الكتلة: مقدار المادة في الجسم، وتقاس بالكيلوجرام.
• الوزن: قوة جذب الجاذبية للجسم، ويقاس بالنيوتن.

في الاستخدام اليومي يقال “وزن الجسم 70 كيلوجرامًا”، لكن التعبير الفيزيائي الأدق هو أن كتلته 70 كيلوجرامًا.

هل اللتر وحدة لقياس الماء فقط؟​

لا.

اللتر وحدة لقياس الحجم، ويمكن استخدامه مع الماء وغيره من السوائل والغازات.

ويعادل اللتر:

1 L = 1 dm³​

أما حجم الأجسام في النظام الدولي الأساسي فيقاس بالمتر المكعب، ويمكن استخدام اللتر كوحدة مقبولة للاستعمال مع النظام الدولي.

هل الهرتز وحدة قياس الزلازل والبراكين؟​

لا.

الهرتز وحدة قياس التردد، ويعادل دورة واحدة في الثانية:

1 Hz = 1 s⁻¹​

ويستخدم مثلًا لقياس:

• تردد الموجات الصوتية.
• تردد التيار المتردد.
• تردد الموجات الكهرومغناطيسية.
• الاهتزازات الدورية.

أما الزلازل فتقاس شدتها أو مقدارها باستخدام مقاييس زلزالية، مثل مقدار العزم الزلزالي في الاستخدام العلمي الحديث. ولا يصح القول إن الزلزال يقاس “بالهرتز على مقياس ريختر”.

هل مقياس ريختر وحدة قياس؟​

مقياس ريختر ليس وحدة مثل الجول أو المتر أو الكيلوجرام، بل هو مقياس لوغاريتمي وُضع لتقدير مقدار بعض الزلازل اعتمادًا على الموجات المسجلة.

كما أن الهيئات العلمية تستخدم في كثير من الحالات الحديثة مقياس مقدار العزم بدل مقياس ريختر التقليدي للزلازل الكبيرة.

لذلك لا يقال:

الزلازل تقاس بالهرتز بمقياس ريختر.

بل يقال إن مقدار الزلزال يحدد بمقياس زلزالي مناسب.

ما وحدات الطاقة الأخرى؟​

رغم أن الجول هو وحدة النظام الدولي، تستخدم وحدات أخرى بحسب المجال.

الكيلوجول​

يساوي:

1 kJ = 1000 J​

ويستخدم كثيرًا في بطاقات الأغذية والحرارة والطاقة الكيميائية.

الميجاجول​

يساوي:

1 MJ = 1,000,000 J​

ويستخدم في حسابات الوقود والطاقة الكبيرة.

الواط ساعة​

تستخدم لقياس الطاقة الكهربائية:

1 Wh = 3600 J​

الكيلوواط ساعة​

تستخدم في فواتير الكهرباء:

1 kWh = 3,600,000 J = 3.6 MJ​

السعرة الحرارية​

تستخدم في الحرارة والتغذية.

السعرة الصغيرة تساوي تقريبًا:

1 cal = 4.184 J​

أما ما يسمى في التغذية “سعرة حرارية” أو كالوري بحرف كبير فهو في الحقيقة كيلو كالوري:

1 kcal = 4184 J = 4.184 kJ​

هل السعرات الغذائية نوع من الطاقة؟​

نعم.

السعرات المكتوبة على الطعام تمثل الطاقة التي يمكن أن يحصل عليها الجسم من الغذاء.

عندما تذكر العبوة أن المنتج يحتوي على 200 سعرة حرارية غذائية، فالمقصود عادة:

200 kcal​

وتعادل بالجول:

200 × 4184 = 836,800 جول​

أو:

836.8 كيلوجول​

تحويل الجول إلى سعرات حرارية​

يمكن استخدام العلاقات التالية:

• 1 سعرة صغيرة cal: نحو 4.184 جول.
• 1 كيلو كالوري غذائي kcal: 4184 جول.
• 1 جول: نحو 0.239 سعرة صغيرة.
• 1 كيلوجول: نحو 0.239 كيلو كالوري غذائي.

مثال:

إذا كانت الطاقة 500 كيلوجول:

500 × 0.239 = نحو 119.5 سعرة غذائية​

أمثلة على حساب الشغل بالجول​

مثال 1: دفع صندوق​

أثرت قوة مقدارها 15 نيوتن وحركت صندوقًا مسافة 4 أمتار في الاتجاه نفسه:

W = 15 × 4 = 60 J​

إذن الشغل المبذول يساوي 60 جولًا.

مثال 2: رفع جسم​

إذا رفع شخص جسمًا بقوة 50 نيوتن مسافة مترين إلى أعلى:

W = 50 × 2 = 100 J​

مثال 3: قوة دون حركة​

إذا دفع شخص جدارًا بقوة كبيرة ولم يتحرك الجدار:

الإزاحة = صفر​

إذن:

W = F × 0 = 0 J​

أي لا يوجد شغل ميكانيكي على الجدار، رغم أن جسم الشخص يستهلك طاقة.

مثال 4: حمل حقيبة أفقيًا​

عندما يحمل شخص حقيبة ثابتة ويسير بها أفقيًا، تكون القوة التي يدعم بها الحقيبة إلى أعلى، بينما تكون الإزاحة أفقية.

إذا كانت القوتان متعامدتين تمامًا، يكون الشغل الذي تبذله قوة الدعم على الحقيبة صفرًا وفق التعريف الفيزيائي، رغم تعب عضلات الشخص واستهلاك جسمه للطاقة.

كيف تحسب الطاقة الحركية؟​

تحسب الطاقة الحركية بالعلاقة:

KE = ½mv²​

حيث:

• m: الكتلة بالكيلوجرام.
• v: السرعة بالمتر لكل ثانية.
• KE: الطاقة الحركية بالجول.

مثال لجسم كتلته 2 كيلوجرام ويتحرك بسرعة 3 أمتار في الثانية:

KE = ½ × 2 × 3² = 9 J​

كيف تحسب طاقة وضع الجاذبية؟​

قرب سطح الأرض تستخدم العلاقة:

PE = mgh​

حيث:

• m: الكتلة بالكيلوجرام.
• g: تسارع الجاذبية.
• h: الارتفاع بالمتر.
• PE: طاقة الوضع بالجول.

إذا كانت كتلة جسم 5 كيلوجرامات ورفع مترين، مع استخدام 9.8 م/ث² للجاذبية:

PE = 5 × 9.8 × 2 = 98 J​

هل الشغل كمية قياسية أم متجهة؟​

الشغل كمية قياسية، أي يعبر عنه بمقدار عددي دون اتجاه.

لكن يمكن أن تكون قيمته:

• موجبة.
• سالبة.
• صفرًا.

تعتمد الإشارة على اتجاه القوة بالنسبة إلى الإزاحة.

هل الطاقة كمية قياسية؟​

نعم، الطاقة كمية قياسية كذلك، وتقاس بالجول.

أما القوة والإزاحة والسرعة المتجهة فهي كميات متجهة لها مقدار واتجاه.

ما الفرق بين الطاقة والشغل؟​

• الطاقة: قدرة النظام أو الجسم على إحداث تغيير أو إنجاز شغل.
• الشغل: طريقة تنتقل بها الطاقة عندما تؤثر قوة خلال إزاحة.

مثال:

يمتلك جسم مرتفع طاقة وضع، وعندما يسقط تتحول إلى طاقة حركية. وإذا اصطدم بجسم آخر وحركه، فقد يبذل عليه شغلًا.

هل الحرارة تقاس بالجول؟​

نعم.

الحرارة صورة من صور انتقال الطاقة، وتقاس في النظام الدولي بالجول.

ولا ينبغي الخلط بين:

• الحرارة أو الطاقة الحرارية: تقاس بالجول.
• درجة الحرارة: تقاس بالكلفن في النظام الدولي، أو بالدرجة المئوية في الاستخدام اليومي.

هل الكهرباء تقاس بالجول؟​

الطاقة الكهربائية تقاس بالجول، ويمكن حسابها من:

الطاقة = القدرة × الزمن​

فإذا عمل جهاز قدرته 100 واط مدة 10 ثوانٍ:

الطاقة = 100 × 10 = 1000 جول​

وفي الاستخدام المنزلي تقاس الطاقة الكهربائية غالبًا بالكيلوواط ساعة.

أشهر أخطاء وحدات الطاقة والشغل​

• القول إن الطاقة تقاس بالنيوتن؛ والصحيح أن النيوتن يقيس القوة.
• القول إن الشغل يقاس بالواط؛ والصحيح أن الواط يقيس القدرة.
• القول إن الجول رمزُه J مقلوبة؛ والصحيح J عادية كبيرة.
• كتابة رمز النظام الدولي Sl بحرف L صغير؛ والصحيح SI بحرف I كبير.
• القول إن الهرتز يقيس الزلازل؛ والصحيح أنه يقيس التردد.
• القول إن الجرام يقيس الوزن في الفيزياء؛ والصحيح أنه يقيس الكتلة.
• الخلط بين نيوتن متر للشغل ونيوتن متر لعزم القوة.

أسئلة شائعة عن وحدة قياس الطاقة والشغل​

تقاس الطاقة والشغل بوحدة تسمى ماذا؟​

تقاس الطاقة والشغل بوحدة الجول، ورمزها J.

ما رمز وحدة الجول؟​

يرمز إليها بالحرف الإنجليزي الكبير J.

الجول يساوي كم نيوتن متر؟​

الجول الواحد يساوي نيوتن مترًا واحدًا عند قياس الشغل أو الطاقة:

1 J = 1 N·m​

ما وحدة قياس القوة؟​

النيوتن، ورمزها N.

ما وحدة قياس القدرة؟​

الواط، ورمزها W.

ما الفرق بين الطاقة والقدرة؟​

الطاقة مقدار قابل للانتقال أو التحول، أما القدرة فهي معدل انتقال الطاقة أو إنجاز الشغل في وحدة الزمن.

الواط يساوي كم جولًا؟​

الواط ليس مقدارًا من الجولات وحده، بل يساوي جولًا واحدًا في الثانية:

1 W = 1 J/s​

ما وحدة قياس الطاقة الحرارية؟​

الجول في النظام الدولي، وقد تستخدم السعرة الحرارية في بعض المجالات.

ما وحدة قياس الطاقة الكهربائية؟​

الجول في النظام الدولي، والكيلوواط ساعة في الاستهلاك الكهربائي العملي.

ما وحدة قياس الطاقة الغذائية؟​

الكيلو كالوري، وتسمى شائعًا السعرة الحرارية أو الكالوري.

هل الجول وحدة أساسية؟​

الجول وحدة مشتقة في النظام الدولي، وتتكون من الكيلوجرام والمتر والثانية.

ما الوحدات الأساسية المكونة للجول؟​

kg·m²·s⁻²​

من العالم الذي سميت وحدة الجول باسمه؟​

الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول.

هل عزم القوة يقاس بالجول؟​

لا يسمى جولًا؛ بل يكتب نيوتن متر N·m، رغم تطابق أبعاده الرياضية مع الجول.

متى يكون الشغل صفرًا؟​

يكون صفرًا إذا لم توجد إزاحة، أو إذا كانت القوة متعامدة تمامًا مع الإزاحة.

هل الشغل والطاقة كميتان متجهتان؟​

لا، كلاهما كمية قياسية.

الخلاصة​

تقاس الطاقة والشغل في النظام الدولي بوحدة:

الجول J​

ويعادل الجول الواحد:

1 J = 1 N·m = 1 kg·m²/s²​

ويجب التفريق بين الوحدات التالية:

• الجول J: للشغل والطاقة والحرارة.
• النيوتن N: للقوة.
• الواط W: للقدرة.
• الهرتز Hz: للتردد.
• الكيلوجرام kg: للكتلة.
• المتر m: للطول.

كما أن الرمز الصحيح للنظام الدولي هو SI، ورمز الجول هو حرف J كبير عادي، وليس حرفًا مقلوبًا.

الإجابة النموذجية للسؤال الدراسي:

تقاس الطاقة والشغل بوحدة الجول، ويرمز إليها بالرمز J، ويساوي الجول الواحد نيوتن مترًا واحدًا.